di Gianluca Coccia
Come conseguenza del cambiamento climatico, il fenomeno del surriscaldamento urbano è aumentato in tutte le città del mondo nel corso degli ultimi decenni. Il Sesto Rapporto dell’IPCC (2022) riporta che, se il riscaldamento globale raggiungesse 1,5 °C nel breve termine (2021-2040), esso sarebbe responsabile di molteplici rischi climatici per gli ecosistemi e gli esseri umani. Il riscaldamento globale e il fenomeno noto come isola di calore urbana (Urban Heat Island, UHI) sono strettamente correlati. Essendo legato alla morbilità e alla mortalità causati dal caldo, l’effetto UHI rappresenta una seria minaccia per l’umanità. Considerando che ondate di caldo prolungate si sono ripetute in molte zone della Terra quasi ogni anno negli ultimi due decenni, con effetti nefasti soprattutto tra le fasce di popolazione più debole e più anziana, risulta fondamentale studiare e promuovere soluzioni innovative per mitigare l’effetto UHI e il surriscaldamento urbano in modo sostenibile ed efficace.
Nella letteratura scientifica, sono state discusse molte tecnologie in grado di contrastare l’effetto UHI ed il surriscaldamento urbano, per esempio soluzioni che adoperano superfici ad elevata riflettività nello spettro solare, cool e green roof, maggior utilizzo di spazi verdi. Alcuni studi mostrano che, tra diverse soluzioni che sfruttano l’acqua per contrastare gli effetti UHI (fontane, piscine, stagni, irrigatori, ecc.), i sistemi a raffrescamento evaporativo risultano i più efficaci poiché in grado di risolvere problematiche di natura sia termoigrometrica che estetica.
Il principio di funzionamento dei sistemi a raffrescamento evaporativo è basato sull’evaporazione dell’acqua, nebulizzata da ugelli dedicati, la quale consente di assorbire energia termica dall’aria circostante, fornendo così un’efficace soluzione di raffrescamento. Questo processo, in qualche modo simile all’umidificazione adiabatica usata negli impianti di climatizzazione, sfrutta anche i fenomeni convettivi innescati dai moti dell’aria. La nebulizzazione dell’acqua migliora il mescolamento delle gocce nell’aria stessa ed incrementa la superficie di contatto tra gocce d’acqua ed aria; ciò si traduce in un più elevato tasso di evaporazione, che migliora l’effetto del raffrescamento percepito. In aggiunta, le particelle possono attenuare l’effetto della radiazione solare nell’infrarosso e possono persino proteggere dalle radiazioni di tipo ultravioletto. Rappresentano pertanto una tecnologia che può rivelarsi molto efficace nel contrastare l’effetto UHI ed il surriscaldamento urbano, migliorando in modo significativo il comfort termoigrometrico esterno percepito e la vivibilità degli individui in ambienti urbani all’aperto durante tipiche giornate estive.
La tecnica del raffrescamento evaporativo presenta diversi vantaggi rispetto ad altre tecnologie di controllo microclimatico. Come sottolineato in precedenza, essa può essere realizzata facendo uso di soluzioni tecnologiche semplici, e quindi economiche. I sistemi evaporativi si integrano facilmente nelle infrastrutture già esistenti nelle città e questo consente ai progettisti di lavorare con maggiore flessibilità da un punto di vista architettonico. Inoltre, a differenza di altre soluzioni di mitigazione del clima urbano, i sistemi evaporativi possono essere gestiti dinamicamente e quindi messi in funzione solo quando vi è effettiva necessità di raffrescamento.
A livello internazionale, i sistemi a raffrescamento evaporativo che sfruttano la nebulizzazione dell’acqua hanno visto importanti realizzazioni nelle città di Osaka, Shanghai, Siviglia, Parigi, Madrid. I sistemi realizzati in queste città, tuttavia, facevano parte di progetti più ampi, in genere legati alla rigenerazione urbana e quindi dove la mitigazione termica era solo uno degli obiettivi perseguiti. Di conseguenza, non sono esempi di sistemi ottimizzati dal punto di vista del miglioramento del comfort e dell’utilizzo delle risorse.
L’interesse per la tecnologia del raffrescamento evaporativo è accresciuto molto durante gli ultimi 20 anni. La maggior parte degli studi ha valutato soluzioni per aree esterne, che nella maggior parte dei casi possono trarre grandi benefici dai sistemi evaporativi anche in climi rigidi. Esempi di efficaci soluzioni impiantistiche includono sistemi installati su tetti o balconi, gazebi, aree pedonali come piazze o parchi pubblici, pergolati di bar o ristoranti, ma anche fermate di autobus/treni/taxi. In tutti questi casi, la nebulizzazione delle gocce d’acqua da parte degli ugelli crea un microclima differente all’interno del volume raffrescato, a prescindere dal contesto urbano. Il potenziale di raffreddamento, tuttavia, varia a seconda delle caratteristiche del sistema e delle condizioni al contorno; generalmente, la riduzione di temperatura dell’aria può essere considerevole, in un intervallo compreso tra 1 e 9 °C circa.
Ad oggi, non esiste ancora una linea guida comune relativa alla progettazione dei sistemi a raffrescamento evaporativo. Va segnalato, per esempio, che gli indici di comfort termoigrometrico “tradizionali” (ad esempio: PMV, SET*, PET, WBGT, UTCI) non sono pienamente in grado di rappresentare le prestazioni delle soluzioni in esame; sono in fase di studio indici più complessi in grado di garantire un maggior grado di accuratezza. I lavori sperimentali disponibili, inoltre, sono ancora in numero limitato, pertanto l’importanza di aspetti come (i) la tipologia, il numero e la distribuzione geometrica degli ugelli utilizzati, (ii) la configurazione del sistema di nebulizzazione, (iii) la presenza di schermature per ridurre gli effetti della radiazione solare e/o del vento, (iv) la logica di funzionamento del sistema devono essere ulteriormente approfonditi. Ad ogni modo, è chiaro che fattori come l’aumento della dimensione media delle gocce d’acqua, così come utilizzare ugelli ad un’altezza non troppo elevata, magari abbinati a schermature per la radiazione ed il vento (che potrebbe favorire un by-pass delle gocce di acqua nebulizzata), favoriscono le prestazioni termoigrometriche di tali sistemi. Vanno però valutate con attenzione le effettive condizioni di comfort in presenza di esseri umani, in quanto in alcuni sistemi il tasso di umidità potrebbe rivelarsi molto elevato e favorire sgradevoli sensazioni di bagnamento.
Altro aspetto di fondamentale importanza è la sostenibilità ambientale di questi sistemi, in particolare per quanto concerne i consumi elettrici ed idrici. Se usati in modo continuativo nelle stagioni più calde, infatti, i sistemi a raffrescamento evaporativo possono avere un impatto ambientale rilevante. Mentre il consumo elettrico può essere mitigato con l’adozione di sistemi energetici a fonte rinnovabile (fotovoltaici, eolici, ecc.), il consumo idrico rappresenta una sfida più complessa. In questo caso, tuttavia, l’uso di logiche “intelligenti” (reti neurali artificiali, logiche fuzzy, ecc.) potrebbe ridurre in modo considerevole l’utilizzo di acqua.
Riferimenti utili:
1) D’Orazio, M., Di Perna, C., Di Giuseppe, E., Coccia, G., & Summa, S. (2023). Evaluation of effectiveness and resources consumption of water mist spray systems in Mediterranean areas by predictions based on LSTM recurrent neural networks. Sustainable Cities and Society, 104894.
2) Coccia, G., Summa, S., Di Giuseppe, E., D’Orazio, M., Zinzi, M., & Di Perna, C. (2023). Experimental evaluation of a water spray system for semi-outdoor spaces: Analysis of the effect of the operational parameters. Building and Environment, 110456.
3) Coccia, G., Di Perna, C., Di Nicola, G., D’Orazio, M., & Di Giuseppe, E. (2021). Modellazione numerica e verifica sperimentale di un sistema di raffrescamento evaporativo per la mitigazione del clima urbano. Report Ricerca di Sistema Elettrico, ENEA.
4) Ulpiani, G., Di Giuseppe, E., Di Perna, C., D’Orazio, M., & Zinzi, M. (2019). Thermal comfort improvement in urban spaces with water spray systems: Field measurements and survey. Building and Environment, 156, 46-61.
5) Ulpiani, G., Di Perna, C., D’Orazio, M., & Di Giuseppe, E. (2018). Analisi termo-fluido dinamica di soluzioni tecnologiche per la mitigazione locale del clima urbano. Report Ricerca di Sistema Elettrico, ENEA.